現(xiàn)代信息技術(shù)在固體物理教學(xué)中的應(yīng)用

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【摘要】

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代信息技術(shù)無形中改變著人們學(xué)習(xí)和接受知識的模式。本文針對在固體物理教學(xué)中如何有效利用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行了一些探索和實踐，主要通過合理有效地利用多媒體、先進(jìn)模擬計算軟件MaterialsStudio、網(wǎng)絡(luò)課程、微課等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，提高學(xué)生的認(rèn)知效率，改善教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的提高。

【關(guān)鍵詞】固體物理；現(xiàn)代信息技術(shù)；模擬計算軟件；微課

一、固體物理學(xué)的起源與運(yùn)用

固體物理學(xué)，是研究固體的結(jié)構(gòu)并揭示其組成粒子之間的相互作用與運(yùn)動規(guī)律、闡明其性能與用途的學(xué)科。20世紀(jì)50年代末，固體物理學(xué)被采納為物理專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，由國內(nèi)三位固體物理學(xué)前輩黃昆先生、謝希德先生和程開甲先生分別在北京大學(xué)、南京大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)率先開設(shè)。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，固體物理學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，已經(jīng)成為凝聚態(tài)學(xué)科中最重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。除了物理專業(yè)以外，還有很多其他相關(guān)專業(yè)，比如微電子、光電子、材料學(xué)等專業(yè)均開設(shè)了固體物理課。在實踐教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)由于該課程理論性較強(qiáng)，公式推導(dǎo)復(fù)雜，很多概念抽象難懂，而且需要一定的空間想象力，學(xué)生學(xué)習(xí)起來有一定困難，加之學(xué)生往往不知道所學(xué)知識在實際中如何應(yīng)用，學(xué)習(xí)動力不足，使固體物理教學(xué)面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。隨著科技的迅猛發(fā)展，以多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的現(xiàn)代信息技術(shù)沖擊了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，給固體物理教學(xué)帶來了改革的契機(jī)。如何利用現(xiàn)代信息手段，深化固體物理教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量，是值得我們思考的問題。本文就在固體物理教學(xué)中如何有效利用多媒體、先進(jìn)模擬軟件、課程網(wǎng)站、微課等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，進(jìn)行了一些探索，以期改善教學(xué)質(zhì)量，優(yōu)化學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的提高。

二、現(xiàn)代信息技術(shù)在固體物理教學(xué)中的應(yīng)用

1.合理利用多媒體技術(shù)

多媒體技術(shù)是利用計算機(jī)對文本、圖像、聲音、視頻、動畫等多種信息進(jìn)行綜合處理的技術(shù)。多媒體技術(shù)具有形象、生動、直觀、信息量大、便于留存等優(yōu)點，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)板書教學(xué)的不足。比如在講解晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)容時，學(xué)生往往不能理解面心立方結(jié)構(gòu)為什么屬于密堆積結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)板書只能在黑板上畫出二維的晶體結(jié)構(gòu)，學(xué)生很難建立三維的空間概念，造成認(rèn)知困難。這時如果采用多媒體動畫，一層一層地將原子堆積起來，然后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，再標(biāo)記出面心立方的單胞，最后去掉多余原子，展現(xiàn)出一個完整的面心立方結(jié)構(gòu)，這樣學(xué)生就很容易理解了。布里淵區(qū)也是學(xué)生學(xué)習(xí)中的一個難點，我們可以先給出倒格子空間的圖像，然后由動畫的方式畫出倒格子原點到最近鄰格點的距離，再畫出這些距離的平分線，最后標(biāo)記出布里淵區(qū)的范圍，并通過3600旋轉(zhuǎn)使學(xué)生更好地了解布里淵區(qū)的空間圖像。此外，對于格波的傳輸、費(fèi)米面等不易理解的內(nèi)容，都可以借助多媒體圖片和動畫等手段，幫助學(xué)生建立物理圖像，提高認(rèn)知效率。多媒體技術(shù)雖然有眾多優(yōu)點，但是并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的板書，對于有些理論性較強(qiáng)的章節(jié)，比如格波振動方程、布洛赫波等內(nèi)容，一邊講解一邊進(jìn)行板書的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，同時及時提問，可以增強(qiáng)教師和學(xué)生的互動，幫助學(xué)生跟上思路，提高學(xué)習(xí)效率。因此，如何恰當(dāng)有效地使用多媒體，是我們在教學(xué)過程中必須仔細(xì)斟酌的。

2.先進(jìn)模擬計算軟件MaterialsStudio的應(yīng)用

固體物理學(xué)中的許多概念和理論抽象難懂，學(xué)生普遍反映理解起來比較吃力，同時很難與實際問題聯(lián)系起來。借助先進(jìn)的模擬計算軟件，可以較直觀地解釋很多相關(guān)物理概念和理論，并與實際應(yīng)用中的現(xiàn)象、性質(zhì)、狀態(tài)相聯(lián)系，有助于學(xué)生更好地理解所學(xué)知識，提高教學(xué)效果。MaterialsStudio程序包功能強(qiáng)大，界面友好，操作簡單，與其他計算軟件相比，適宜于本科生的日常教學(xué)。利用該計算軟件可以建立不同材料的晶體結(jié)構(gòu)，并可以進(jìn)行能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度的計算及可視化，光學(xué)性質(zhì)、光譜性質(zhì)、介電性質(zhì)的計算、費(fèi)米面的計算等。我們可以利用該軟件讓學(xué)生建立一些常見的晶體結(jié)構(gòu)，并計算他們的介電性能和光譜特性，也可以計算金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶圖和態(tài)密度，比較他們帶隙之間的差異，加深對能帶理論的理解。還可以通過摻雜等手段對晶體的能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控，幫助學(xué)生理解晶體結(jié)構(gòu)和性能之間的密切關(guān)系。總之，利用MaterialsStudio軟件可以更加直觀地將固體物理中的很多理論和概念呈現(xiàn)給學(xué)生，不僅可以幫助學(xué)生更好地理解所學(xué)知識，還可以拓寬學(xué)生的眼界，了解現(xiàn)論物理的研究手段，讓學(xué)生覺得學(xué)有所用，激發(fā)學(xué)生用所學(xué)知識解決實際問題的熱情。

3.充分發(fā)揮課程網(wǎng)站的作用

21世紀(jì)是信息和網(wǎng)絡(luò)的時代，利用網(wǎng)絡(luò)可以便捷地實現(xiàn)知識的保存、傳播和共享，有效地利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)可以實現(xiàn)教學(xué)的實時互動，以及教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)展延伸。我們的固體物理課程已經(jīng)建立了精品課程網(wǎng)站和E-Learning討論學(xué)習(xí)空間。課程網(wǎng)站上有教師精心收集、選擇的習(xí)題和思考題，學(xué)生可以自行測驗并評分。此外，還有教師的教學(xué)課件和教學(xué)錄像，如果學(xué)生課堂上沒有完全理解老師所講的內(nèi)容，可以通過課程網(wǎng)站再回顧自學(xué)。課程網(wǎng)站上還有課堂上沒有講到的一些擴(kuò)展性內(nèi)容和前沿研究熱點，用于拓寬學(xué)生的知識面。另外值得一提的是問題討論區(qū)，學(xué)生有什么問題可以在上面提出來，與老師和其他同學(xué)討論和交流。這種方式拉近了學(xué)生和教師的距離，豐富了原有的教學(xué)手段，擴(kuò)展了教學(xué)空間，對提高教學(xué)效果有明顯作用。

4.微課程的有效利用

在大學(xué)校園中我們發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的學(xué)生都隨身攜帶智能手機(jī)等移動數(shù)碼產(chǎn)品，現(xiàn)代信息通信技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)改變了傳統(tǒng)的閱讀和學(xué)習(xí)方式，學(xué)生們可以隨時隨地通過移動終端從網(wǎng)絡(luò)上獲取自己想要的信息。微課是近幾年才流行起來的一種教學(xué)方式，它與傳統(tǒng)課程網(wǎng)站視頻的主要區(qū)別在于時間短、內(nèi)容精、針對性強(qiáng)。傳統(tǒng)的教學(xué)視頻大約為45分鐘，視頻容量太大，在線瀏覽時所需的流量大，費(fèi)用學(xué)生往往難以接受。另一方面，45分鐘的視頻中包含很多個知識點，學(xué)生往往為了學(xué)習(xí)某個知識點需要看完整個視頻，學(xué)習(xí)效率低，會讓學(xué)生失去耐心。而微課程恰好彌補(bǔ)了這些不足。心理學(xué)研究認(rèn)為，人的認(rèn)知效率在最初10分鐘內(nèi)是最高的，隨后會逐漸衰減，因此一段微課程的時間大多在5~10分鐘之內(nèi)，且主要針對某一知識點，精心設(shè)計，集中闡明一個問題，教學(xué)目標(biāo)明確。微課程可以作為課程全程視頻的補(bǔ)充，如果學(xué)生們?nèi)毕四承┱n，可以觀看教師的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻，如果只是某個知識點的理解不夠，觀看微視頻效果更好。例如，我們錄制了“倒格子和布里淵區(qū)”“光子和電子之間的相同點和不同點”“有效質(zhì)量和真實質(zhì)量的差別”等微視頻，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求針對性地瀏覽這些視頻，加深對所學(xué)知識的理解。此外，我們還將現(xiàn)代固體物理研究中常用的一些實驗方法和實驗儀器通過微課的方式介紹給學(xué)生。例如，X射線衍射、透射電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、低能電子衍射、高能電子衍射等，這些內(nèi)容與現(xiàn)代科技聯(lián)系緊密，對于學(xué)生理論結(jié)合實際、提升科研素養(yǎng)是非常有用的。實踐證明，精練、目的性強(qiáng)的微課程視頻很受學(xué)生的歡迎。本文針對當(dāng)前固體物理教學(xué)面臨的問題，就如何將現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用于固體物理教學(xué)，改善教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)行了一些探索。實踐表明，通過充分利用多媒體、先進(jìn)模擬計算軟件、網(wǎng)絡(luò)課程、微課等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，取得了良好的教學(xué)效果。然而固體物理教學(xué)改革是一項復(fù)雜龐大的工程，尤其是學(xué)科領(lǐng)域不斷延伸和現(xiàn)代信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，如何有效借助現(xiàn)代信息技術(shù)提升固體物理的教學(xué)質(zhì)量，仍需我們在實踐中不斷探索和改進(jìn)。

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作者： 張臘梅 商繼敏